Bài giảng Vật lí chất rắn - Chương 5: Bán dẫn

Bài giảng Vật lí chất rắn - Chương 5: Bán dẫn cung cấp cho học viên những kiến thức sơ lược về tính chất của bán dẫn, bán dẫn tinh khiết, bán dẫn pha tạp, hiệu ứng Hall trong bán dẫn (seminar),... Mời các bạn cùng tham khảo chi tiết nội dung bài giảng!

VẬT LÍ CHẤT RẮN Phạm Đỗ Chung Bộ mơn Vật lí chất rắn – Điện tử Khoa Vật lí, ĐH Sư Phạm Hà Nội 136 Xn Thủy, Cầu Giấy, Hà Nội PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2018 Lớp Y18 – Sư phạm Vật lí Chương 5 Bán dẫn Sơ lược tính chất bán dẫn Bán dẫn tinh khiết Bán dẫn pha tạp Hiệu ứng Hall bán dẫn (seminar) Lớp chuyển tiếp p – n PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2018 Sơ lược về tính chất của bán dẫn • Kim loại ρ ρ = ρo (1 + αT) Bán dẫn • Bán dẫn ρBD = ρo exp(B/T) • Điện mơi ρĐM= ρo exp(B/T) (ρo & B: lớn hơn so với của bán dẫn) n ρ α PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2018 Cu 1028 /m3 10-8 Ωm 10-3 /K Kim loại T Si 1016 / m3 10-3 Ωm - 70 10-3 /K Sơ lược về tính chất của bán dẫn Kim loại: nồng độ electron ln khơng đổi Bán dẫn: • Nồng độ hạt tải phụ thuộc nhiệt độ (T=0K nồng độ hạt tải 0) • Nồng độ hạt tải định nhiệt độ, điện trường, từ trường ngoài, v…v… • Thay đổi loại hạt tải PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2018 Sơ lược về tính chất của bán dẫn Một số loại bán dẫn điển hình • Bán dẫn thành phần: Ge, Se, B, C, Si, As, Se,… • Bán dẫn thành phần : oAI BVII; AI BVI oAI BV; AII BVII oAII BVI oAII BV oAIIIBV (GaP, GaSb, GaAs, InP, InSb, InAs,…) oAIVBVI oAIBIV • Bán dẫn thành phần : o AIBIIICVI (CuAlS2, AgInSe2…) o AIVBVCVI (PbBiSe2) PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2018 Bán dẫn tinh khiết • Cấu hình điện tử Si: 1s22s22p63s23p2 • Cấu trúc tinh thể dạng kim cương Si có lớp ngồi chưa đầy tại sao khơng phải là kim loại? PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2018 Bán dẫn tinh khiết Cấu trúc vùng lượng Si PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2018 Bán dẫn tinh khiết • Cấu trúc vùng lượng Si • Electron & lỗ trống PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2018 Bán dẫn tinh khiết Một electron nhảy lên vùng dẫn để lại lỗ trống vùng hóa trị PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2018 Bán dẫn tinh khiết Hàm phân bố Fermi-Dirac cho electron Vì 𝜖 − 𝜇 ≫ 𝑘& 𝑇 nên ta có: 𝑓) (𝜖)= - /0 ) 12 4- ≈𝑒 0/ 12 𝑓7 = − 𝑓) ⟹ hàm Fermi-Dirac cho lỗ trống: 𝑓7 (𝜖)=1 − PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2018 - /0 ) 12 4- = - 0/ ) 12 4- ≈𝑒 /0 12 10 Bán dẫn pha tạp Tạp chất hóa trị 5: •Phosphorus (P) •Arsenic (As) •Antimony (Sb) •Bismuth (Bi) PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2018 Tạp chất hóa trị 3: •Aluminum (Al) •Gallium (Ga) •Boron (B) •Indium (In) 15 Bán dẫn pha tạp Bán dẫn loại n Mức lượng donor: Ed Bán dẫn Si: • Tạp chất P: Ed = 0,045eV • Tạp chất Sb: Ed = 0,089 eV PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2018 16 Bán dẫn pha tạp Bán dẫn loại p Mức lượng aceptor: Ea Bán dẫn Si: • Tạp chất B: Ea = 0,045eV • Tạp chất Ga: Ea = 0,065 eV • Tạp chất In: Ea = 0,16 eV PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2018 17 Bán dẫn pha tạp Nồng độ hạt tải bán dẫn pha tạp Xét bán dẫn loại n có mật độ tạp chất Nd, T>0K: • Số nguyên tử tạp chất bị ion hoá, trở thành ion tạp chất mang điện dương là: pd • Số electrơn bứt từ nguyên tử bị ion hoá chuyển lên vùng dẫn là: pd • Số nguyên tử tạp chất chưa bị ion hóa là: nd=Nd-pd 𝑝a = O(K OM)/;2 N 𝑛a 2𝑒 b Số 2 được thêm vào vì trạng thái donor chưa bị ion hố có trọng số thống kê gấp hai lần trạng thái donor bị ion hố PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2018 18 Bán dẫn pha tạp • Bán dẫn loại n (tạp chất donor) Nồng độ donor: Nd Nồng độ đã ion hóa: pd Nồng độ chưa ion hóa: nd pd = Nd - nd 𝑁a 𝑛a = K;b2OM N +1 𝑒 𝑝a = 𝑁a MOKb 2𝑒 ;2N PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2018 +1 • nd: nồng độ electron mức donor (khơng dẫn điện) • pd: nồng độ electron dải dẫn có nguồn gốc từ mức donor 19 Bán dẫn pha tạp • Bán dẫn loại p (tạp chất acceptor) Nồng độ acceptor: Na Nồng độ đã ion hóa: na Nồng độ chưa ion hóa: pa na = Na - pa 𝑁d 𝑝d = e MOK ;2 N + 𝑒 𝑛d = 𝑁d Ke OM 2𝑒 ;2 N PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2018 +1 • pa: nồng độ lỗ trống mức acceptor (không dẫn điện) • na: nồng độ lỗ trống dải hoá trị có nguồn gốc từ mức acceptor 20 Bán dẫn pha tạp Phương trình trung hịa Chúng ta quan tâm tới nồng độ hạt tải có khả dẫn điện: • Nồng độ hạt dẫn tạo từ mức tạp chất: pd (donor) na (acceptor) • Nồng độ hạt dẫn riêng: pi = ni Nồng độ electron dải dẫn: n=ni + pd Nồng độ lỗ trống dải hóa trị: p = pi + na Điều kiện về sự trung hịa điện: n + na = p + pd PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2018 21 Bán dẫn pha tạp n + na = p + pd • Thay n, na, p, pd vào phương trình trung hồ 𝜈) M 𝑒 ;2 N + 𝜈) = 𝑁d Ke OM 2𝑒 ;2 N = 𝜈7 M4KT O; N 𝑒 +1 𝑘& 𝑇𝑚)∗ E/@ ; 𝜈7 = @ 2𝜋ℏ PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2018 + 𝑁a MOKb 2𝑒 ;2 N +1 ∗ E/@ 𝑘& 𝑇𝑚7 2𝜋ℏ@ 22 Bán dẫn pha tạp Xét bán dẫn loại n (Na = na = 0) 𝜈) M 𝑒 ;2 N = 𝜈7 M4KT O 𝑒 ;2 N + 𝑁a MOKb 2𝑒 ;2 N +1 Trong điều kiện thường 𝜇 + 𝐸X >> 𝑘& 𝑇 nên bỏ qua nồng độ lỗ trống dẫn điện riêng (pi) M 𝑁a 𝜈) 𝑒 ;2 N ≈ MOKb 2𝑒 ;2 N + M 𝑒 ;2 N O Kb 8𝑁a Kb = 𝑒 ;2 N −1 + + 𝑒 ;2 N 𝜈) PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2018 23 Bán dẫn pha tạp o Trường hợp T nhỏ, ta có: klb b3 𝑒 mn ≫1 1 8𝑁a 𝜇 = − 𝐸a + 𝑘& 𝑇 ln ≈ − 𝐸a 𝜈) o Trường hợp nhiệt độ cao: klb b3 𝑒 mn ≪1 𝑁a 𝜇 = 𝑘& 𝑇 ln 𝜈) Trường hợp 𝑁a >> 𝜈) , ta có mức Fermi dương (𝜇 > 0) tức mức Fermi nằm bên đáy vùng dẫn Lúc bán dẫn dẫn bị suy biến dẫn điện kim loại PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2018 24 Bán dẫn pha tạp Sự phụ thuộc mức Fermi theo nhiệt độ bán dẫn loại n 𝑇a = 𝐸a 𝜈) 𝑘& ln 𝑁 a PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2018 25 Bán dẫn pha tạp • Mật độ electron bán dẫn loại n nhiệt độ thấp E/V O Kb ∗ 𝑘& 𝑇𝑚) @;2 N 𝑛 = 𝑁a 𝑒 2𝜋ℏ@ • Điện dẫn suất bán dẫn loại n: O K b ne 𝜎= = 𝜎Wr 𝑒 @;2 N 𝜇) 𝐸a ln 𝜎 = ln 𝜎Wr − 2𝑘& 𝑇 PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2018 26 Hiệu ứng Hall trong bán dẫn PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2018 27 Hiệu ứng Hall trong bán dẫn ! ! ! je = neµ e E + ve ∧ B [ J ex = neµ e (E x + vey B ) J ey = neµ e (E y − vex B ) J ez = ] vex = − µ e (E x + vey B ) vey = − µ e (E y − vex B ) ( = peµ (E ) − µ E B) J ex = neµ e (E x − µ e E y B ) J hx = peµ h E x + µ h E y B J ey = neµ e (E y + µ e E x B ) J py PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2018 h y h x 28 Hiệu ứng Hall trong bán dẫn J= Je + Jh ( )E − (− neµ ) )E B J x = (neµ e + peµ h )E x + − neµ e2 + peµ h2 E y B J y = (neµ e + peµ h y e + peµ h2 x Vì Jy = nên (neàe + peà h )E y = (− neµe2 + peµ h2 )Ex B Ey = − nµ e2 + pµ h2 e(nµ e + pµ h ) PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2018 JxB R= e − nµ + pµ h e(nµ e + pµ h ) 29 .. .Chương 5 Bán dẫn Sơ lược tính chất bán dẫn Bán dẫn tinh khiết Bán dẫn pha tạp Hiệu ứng Hall bán dẫn (seminar) Lớp chuyển tiếp p – n PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2018 Sơ lược về tính chất của bán dẫn. .. •Indium (In) 15 Bán dẫn pha tạp Bán dẫn loại n Mức lượng donor: Ed Bán dẫn Si: • Tạp chất P: Ed = 0,045eV • Tạp chất Sb: Ed = 0,089 eV PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2018 16 Bán dẫn pha tạp Bán dẫn loại p Mức... aceptor: Ea Bán dẫn Si: • Tạp chất B: Ea = 0,045eV • Tạp chất Ga: Ea = 0,065 eV • Tạp chất In: Ea = 0,16 eV PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2018 17 Bán dẫn pha tạp Nồng độ hạt tải bán dẫn pha tạp Xét bán dẫn loại